2024/10/6周报

文章目录

摘要
Abstract
广西的一些污水处理厂
- 工艺解析
- 1. A²/O工艺（厌氧-缺氧-好氧工艺）
- 2. 氧化沟工艺
- 3. MBR工艺（膜生物反应器）
- 4. SBR工艺（序批式活性污泥法）
- 5. 生物接触氧化法
其它补充
- 一体化改良氧化沟工艺
- 螺旋输送机的应用
- 评价工艺的指标
- 1. 水质处理效果指标
- 2. 工艺效率指标
- 3. 能耗与资源消耗指标
- 4. 经济效益指标
- 5. 系统稳定性与运行可靠性指标
- 6. 环境影响与可持续发展指标
- 7. 智能化与自动化水平指标
文献阅读
- 题目
- 引言
- LSTM-MPC模型
- 数据集与预处理
- 方法论
- 合理性验证
- 结果
总结

摘要

本周对广西的一些污水处理厂工艺进行了解，常见的工艺主要包括活性污泥法、生物膜法、MBR（膜生物反应器）、氧化沟工艺等，此外对评价工艺用的一些指标进行学习，并阅读了一篇基于LSTM的污水生物反应器模型预测控制及合理性验证的文章，文章基于历史运行经验提出了三种合理性验证方法。通过华东某污水处理厂的实际运行数据验证了该方法的有效性。结果表明，LSTM-MPC预测模型能够较准确地预测AAO系统的水质变量，在验证数据集上的均方误差（MSE）接近2.64，Nash-Sutcliffe模型的有效系数（NSE）为0.99。与常规控制器相比，耗氧量减少了7%，证明了LSTM-MPC作为一种安全可靠的污水处理厂控制策略的有效性。

Abstract

This week, I learned about some sewage treatment plant processes in Guangxi. Common processes include activated sludge process, biofilm process, MBR (membrane bioreactor), oxidation ditch process, etc. In addition, I studied some indicators used to evaluate processes and read an article on LSTM based sewage bioreactor model predictive control and rationality verification. The article proposes three rationality verification methods based on historical operating experience. The effectiveness of this method was verified through actual operational data from a sewage treatment plant in East China. The results indicate that the LSTM-MPC prediction model can accurately predict the water quality variables of the AAO system, with a mean square error (MSE) of nearly 2.64 on the validation dataset and an effective coefficient (NSE) of 0.99 for the Nash Sutcliffe model. Compared with conventional controllers, the oxygen consumption has been reduced by 7%, demonstrating the effectiveness of LSTM-MPC as a safe and reliable control strategy for sewage treatment plants.

广西的一些污水处理厂

广西作为中国南方的一个省区，近年来在环保和水务方面也加大了基础设施的建设，尤其是在污水处理领域。以下是一些广西地区的重要污水处理厂，分布在不同的城市和地区。

广西的污水处理厂为了满足不同地区和污水类型的处理需求，采用了多种污水处理工艺。这些工艺结合了先进的污水处理技术和适合地方特点的解决方案，常见的工艺主要包括活性污泥法、生物膜法、MBR（膜生物反应器）、氧化沟工艺等。以下是部分污水处理厂采用的主要工艺：

1. 南宁市

南宁市第一污水处理厂
- 工艺：A²/O工艺（厌氧-缺氧-好氧）
  这种工艺是一种常见的除磷脱氮工艺，通过厌氧、缺氧和好氧的交替运行，去除污水中的有机物、氮和磷，适用于大中型城市污水处理厂。
南宁市第三污水处理厂
- 工艺：氧化沟工艺
  氧化沟工艺是一种变形的活性污泥法，运行稳定，处理效果好，适用于南宁等地区的污水处理。

2. 柳州市

柳州市第一污水处理厂
- 工艺：改良型氧化沟工艺（CASS）
  该厂采用CASS（循环式活性污泥法），是一种周期性循环处理工艺，通过不同反应区间的控制来去除污水中的有机污染物和氮磷。
柳州市第三污水处理厂
- 工艺：MBR工艺（膜生物反应器）
  MBR工艺结合了生物降解和膜分离技术，能够高效地去除污水中的污染物，同时出水水质优于传统工艺，适合水资源紧张地区的再生水利用。

3. 桂林市

桂林市临桂污水处理厂
- 工艺：氧化沟工艺
  该厂采用的是经典的氧化沟工艺，运行简便，能够处理漓江流域内的生活污水，保护当地的生态环境。
桂林市第二污水处理厂
- 工艺：SBR工艺（序批式活性污泥法）
  SBR是一种间歇式活性污泥法，适合水量波动较大的地区，污水在不同的时间段进行不同阶段的处理，操作灵活且处理效果好。

4. 北海市

北海市第一污水处理厂
- 工艺：A²/O工艺
  该厂采用A²/O工艺进行污水处理，能够有效地去除有机污染物和氮磷。
北海市银滩污水处理厂
- 工艺：生物接触氧化法
  该厂采用生物接触氧化法，适用于处理旅游区及周边的污水，具有设备简单、运行维护方便等优点。

5. 钦州市

钦州市污水处理厂
- 工艺：A²/O工艺
  A²/O工艺被广泛应用于城市污水处理，特别是在氮磷控制方面有显著效果。

6. 贵港市

贵港市污水处理厂
- 工艺：氧化沟工艺
  该厂采用的是经典的氧化沟工艺，适合中小城市的生活污水处理需求，处理过程稳定，出水效果好。

7. 防城港市

防城港市污水处理厂
- 工艺：A²/O工艺
  A²/O工艺在防城港市污水处理厂中用于生活污水处理，具有良好的除磷脱氮效果。

8. 百色市

百色市污水处理厂
- 工艺：SBR工艺
  百色市污水处理厂采用SBR工艺，适应当地污水水质水量波动较大的情况，出水水质稳定。

工艺解析

A²/O工艺
这种工艺是一种除磷脱氮工艺，适用于大中型污水处理厂。通过厌氧-缺氧-好氧的交替过程，去除污水中的有机污染物、氮和磷。
氧化沟工艺
变形的活性污泥法，适用于中小城市和乡镇，运行稳定且维护成本较低。
MBR工艺
膜生物反应器工艺结合了膜分离和生物降解技术，适合水资源紧张、对出水水质要求高的地方。
SBR工艺
这种间歇活性污泥法工艺适合处理水量和水质波动较大的区域，系统简单，适应性强。
生物接触氧化法
该工艺是生物膜法的一种，适用于小型污水处理厂，维护简单，处理效果较好。

通过结合不同工艺的特点，广西的污水处理厂能够应对不同的污水处理需求，确保出水水质达到国家标准并适应地方的特殊要求。

污水处理的工艺流程各不相同，主要根据污水处理厂的设计需求、污水水质特性及排放标准来选择。以下是你几种常见污水处理工艺的详细流程：

1. A²/O工艺（厌氧-缺氧-好氧工艺）

A²/O工艺是一种经典的除磷脱氮工艺，它利用微生物的代谢作用来去除污水中的氮和磷，同时通过好氧条件降解有机污染物。

具体流程：

预处理阶段：
- 污水首先经过格栅去除大颗粒杂质，接着经过沉砂池沉降较大颗粒的砂石等固体物质。
厌氧段（Anaerobic）：
- 在厌氧池中，污水中的有机物被厌氧微生物降解，磷通过聚磷菌的代谢被释放。由于没有氧气供应，厌氧环境为磷的释放创造了条件。
缺氧段（Anoxic）：
- 缺氧池用于反硝化过程，硝酸盐（NO₃⁻）通过反硝化细菌转化为氮气（N₂），从而脱氮。污水中的硝酸盐来自后续好氧段的回流液。
好氧段（Oxic）：
- 污水进入好氧池，空气或者氧气通过曝气设备提供，使好氧微生物大量繁殖，分解污水中的有机污染物。同时，硝化作用将污水中的氨氮（NH₄⁺）氧化成硝酸盐（NO₃⁻），并通过回流进入缺氧段进行反硝化脱氮。
二沉池：
- 经生物反应后的污水流入二沉池进行泥水分离。沉淀下来的污泥一部分回流到厌氧池，剩余部分作为剩余污泥排出处理。
出水处理：
- 经处理后的水质可以达到排放标准，部分水质优异的出水还可作为再生水使用。

工艺特点：

A²/O工艺擅长处理污水中的氮和磷，适用于对出水水质要求较高的污水处理厂。
能实现脱氮除磷效果，但对操作条件有一定要求。

2. 氧化沟工艺

氧化沟工艺是活性污泥法的一种变形，常见于中小型污水处理厂。它利用连续循环的曝气沟作为好氧生物反应器，处理过程简单稳定，适合处理波动较大的污水量。

具体流程：

预处理阶段：
- 污水首先经过格栅去除大颗粒物质，随后进入沉砂池去除沉砂等无机颗粒。
氧化沟：
- 污水进入氧化沟，这是整个工艺的核心。氧化沟呈封闭的环形或椭圆形结构，污水在其中不断循环流动。通过曝气设备（通常为表面曝气机）提供氧气，活性污泥在沟内循环流动，微生物代谢有机物，分解污染物并进行硝化反应。
二沉池：
- 从氧化沟流出的污水进入二沉池，在这里污水和活性污泥分离。分离出的活性污泥部分回流到氧化沟，剩余污泥被排放到污泥处理系统。
出水处理：
- 出水经过二沉池沉淀后，可以直接排放或者进一步处理（如紫外消毒、过滤等），以提高水质。

工艺特点：

氧化沟工艺简单、管理方便，特别适用于中小型污水处理厂。
处理流程稳定，对污水中的有机物有较强的去除能力，但在脱氮除磷方面的效果一般不如A²/O工艺。

3. MBR工艺（膜生物反应器）

MBR（膜生物反应器）工艺是膜技术与活性污泥法结合的污水处理技术，采用膜过滤来分离水和泥，能显著提高出水水质，广泛应用于需要高品质再生水的地区。

具体流程：

预处理阶段：
- 与其他工艺相同，污水首先通过格栅、沉砂池等预处理单元去除悬浮物和较大的颗粒物。
生物反应器：
- 污水进入生物反应器，类似于传统活性污泥法的好氧反应池。微生物通过曝气作用分解污水中的有机物和氨氮，同时膜组件浸没在反应器中。
膜过滤：
- 膜组件（通常为微滤或超滤膜）用于直接过滤出水，通过物理阻隔实现固液分离。相比于传统的二沉池，膜能够有效截留细小的悬浮颗粒、细菌等杂质，出水水质非常优异。
出水处理：
- 出水水质较高，通常不需要进一步的沉淀处理，部分水质优异的出水可直接作为再生水使用。

工艺特点：

出水水质极高，适合回用再生水的场景。
系统紧凑，占地面积较小，但投资和运行成本相对较高。
对处理工艺的稳定性和管理要求较高。

4. SBR工艺（序批式活性污泥法）

SBR（序批式活性污泥法）是一种间歇式处理工艺，适用于污水流量和水质变化较大的地区。整个处理过程在一个池子中间歇性进行，污水处理和沉淀在同一个池中完成。

具体流程：

填充阶段：
- 污水进入SBR反应池，池内微生物开始降解有机物质。在此阶段无需曝气。
曝气阶段：
- 曝气设备开始工作，微生物通过好氧代谢分解污水中的有机污染物，同时进行硝化反应，氨氮转化为硝酸盐。
沉淀阶段：
- 停止曝气，活性污泥和水中的固体颗粒沉淀到池底，清水从上部排出。
排水阶段：
- 沉淀后的清水被排出，处理完毕的水可直接排放或进一步处理。
闲置阶段：
- SBR系统在完成一个周期后进入短暂的闲置阶段，准备下一个循环。

工艺特点：

操作灵活，适用于流量波动较大的区域。
无需设置二沉池，工艺流程简化。
脱氮除磷效果良好，但对操作管理有较高要求。

5. 生物接触氧化法

生物接触氧化法是一种基于生物膜法的污水处理工艺，适合小型污水处理系统，操作简单，稳定性好。

具体流程：

预处理阶段：
- 污水首先经过常规的格栅和沉砂池，去除大的颗粒物质。
生物接触氧化池：
- 污水进入生物接触氧化池，池中填充有大量的填料，填料表面附着着生物膜。污水通过填料时，生物膜中的微生物将污水中的有机物分解。曝气设备为生物膜提供氧气，确保好氧微生物的活性。
二沉池：
- 污水经过生物处理后进入二沉池，污水中的固体颗粒和生物泥被沉淀分离，清水从池顶排出。
出水处理：
- 清水可经过消毒处理后排放。

工艺特点：

生物接触氧化法设备简单，运行稳定，适合小型污水处理系统。
生物膜具有较强的抗冲击负荷能力，处理效果稳定。

每种工艺都有其独特的应用场景和优势，根据污水处理厂的规模、污水特性和排放要求，选择合适的工艺是关键。

其它补充

理论上是可以不设置初沉池直接将污水送入氧化沟生化池进行处理的。然而，这样做是否合理取决于多个因素，包括进水水质、设计目标、处理能力以及预期的出水质量等。（比如使用一体化改良氧化沟工艺（Integrated Modified Oxidation Ditch Process））

不设初沉池的原因

节省空间和成本：省略初沉池可以减少占地面积和建设成本。
简化工艺：减少处理步骤，简化工艺流程。
提高灵活性：对于一些小型或特定条件下的污水处理厂，灵活的设计可能更有利。

可能的影响

增加氧化沟负荷：没有初沉池去除部分悬浮固体，可能会增加氧化沟生化池的处理负荷。
影响设备寿命：较多的悬浮物可能会影响氧化沟中的曝气设备和其他机械部件的使用寿命。
出水质量：如果悬浮固体过多，可能会影响最终出水的质量，特别是在去除悬浮物方面。

解决方案
如果决定不设初沉池，可以采取以下措施来弥补可能的问题：

加强预处理：强化预处理单元的功能，如增加更精细的格栅或过滤设备，以去除更多的悬浮物。
优化曝气设备：选择更耐用的曝气设备，并加强维护管理。
增加曝气时间：延长氧化沟中的曝气时间，以确保悬浮物有足够的时间沉降。
改进氧化沟设计：采用具有更强混合能力和更高曝气效率的设计，如带有特殊搅拌装置的氧化沟。
增加污泥回流：通过增加活性污泥的回流量来提高生物处理能力。

实际应用案例
在实际应用中，有些污水处理厂确实省略了初沉池，特别是在设计紧凑的小型污水处理系统或在某些特定情况下（如农村或偏远地区的污水处理设施）。这些系统通常会通过其他手段来确保悬浮物的去除，并且在设计时会考虑到氧化沟的负荷能力。

综合考虑
最终是否省略初沉池需要综合考虑以下几个方面：
进水水质：如果进水中的悬浮固体含量不高，可以直接进入氧化沟。
处理目标：如果处理目标主要是去除有机物而非悬浮固体，则可以考虑省略初沉池。
成本效益分析：需要评估省略初沉池带来的成本节约与潜在风险之间的平衡。

总之，是否省略初沉池直接进入氧化沟生化池需要根据具体情况来决定，并且应当在设计前进行全面的技术和经济评估。如果决定不设初沉池，必须采取相应的措施来确保氧化沟的正常运行和出水质量达标。

一体化改良氧化沟工艺

一体化改良氧化沟工艺（Integrated Modified Oxidation Ditch Process）是一种结合了多种污水处理技术于一体的高效污水处理系统。这种工艺通过优化传统的氧化沟设计，提高了污水处理效率，并且能够更好地去除污水中的有机物、氮、磷等污染物。以下是一体化改良氧化沟工艺的详细介绍：

技术特点

集成性
一体化改良氧化沟将多个处理单元集成在一个系统中，实现了从预处理到最终处理的一体化流程。这样不仅可以节省空间，而且能够提高处理效率和灵活性。
多功能处理
该工艺不仅能够去除有机物，还能有效去除氮和磷，防止水体富营养化。通过在系统中设置不同的区域或段落，实现多种处理功能的同时进行。

主要组成部分

预处理单元
粗格栅和细格栅：去除污水中的大颗粒物质。
沉砂池：去除砂粒和其他重质无机颗粒。
氧化沟生化池
曝气区：通过曝气设备（如转刷曝气器）提供氧气，支持好氧微生物的生长，分解有机物。
缺氧区：在曝气区之外设置缺氧区，有利于反硝化作用的发生，从而去除污水中的氮。
厌氧区：在某些设计中还包括厌氧区，用于促进磷的释放和吸收，实现磷的去除。
内部循环系统
循环流动：通过特殊的水流设计，使污水在氧化沟内循环流动，保证曝气区、缺氧区和厌氧区之间的物质交换。
活性污泥回流
污泥回流系统：从氧化沟底部收集活性污泥，并将其回流到曝气区，以维持足够的微生物浓度。
末端沉淀池
沉淀区：在氧化沟的末端设置沉淀区，用于分离活性污泥和处理后的清水。沉淀后的清水可以进一步进入深度处理或直接排放。

工艺流程

预处理：污水首先通过粗格栅和细格栅，去除大颗粒物质。
沉砂池：去除砂粒等重质颗粒。
氧化沟生化池：
污水进入氧化沟，在曝气区通过曝气设备提供氧气，促进有机物的分解。
部分污水进入缺氧区，通过反硝化作用去除氮。
如果设计中有厌氧区，则污水在厌氧区进行磷的释放和吸收。
活性污泥通过回流系统返回曝气区，维持微生物浓度。
沉淀区：处理后的污水进入沉淀区，活性污泥沉降，清水分离。
深度处理（如有需要）：
过滤：通过砂滤或其他过滤方法进一步去除悬浮物。
消毒：采用氯化、紫外线或臭氧消毒等方式杀死病原体。
营养物质去除：通过化学沉淀或其他方法进一步去除氮和磷。
最终排放或回用：处理后的清水可以排放到自然水体或用于非饮用用途。

优点

高效去除污染物：通过多功能处理区的设计，能够同时去除有机物、氮和磷。
灵活性强：可以根据水质要求调整各处理单元的比例和运行参数。
占地面积小：集成化设计减少了占地面积，适合空间受限的地区。
运行成本低：曝气设备的合理配置降低了能耗，同时减少了污泥处理的需要。

应用场景
一体化改良氧化沟工艺适用于各种规模的污水处理厂，尤其是在需要高效去除氮磷的城市污水处理厂中表现优异。此外，该工艺也适用于工业废水处理和一些特定场合的污水处理项目。

通过上述设计，一体化改良氧化沟工艺能够有效地处理污水，确保出水水质达到排放标准或回用要求。

螺旋输送机的应用

在污水处理过程中，螺旋输送机确实有其应用场合。尽管它不是污水处理的核心设备，但它可以在多个环节中发挥重要作用，特别是在处理固体废物和污泥的过程中。

在污水处理中的应用：

格栅渣输送：
- 在污水处理的前端，通常会有粗格栅和细格栅来拦截较大的固体物质。螺旋输送机可以用来输送从格栅中清除出来的渣滓。
沉砂池砂石输送：
- 在沉砂池中，通过重力作用会使较重的砂石沉积到底部。螺旋输送机可用于将这些沉积物输送到指定区域进行后续处理。

3.污泥处理：

在污泥浓缩或脱水后，产生的泥饼可以通过螺旋输送机进行运输。尤其是在污泥脱水机后端，螺旋输送机能够有效地将脱水后的污泥运输出去。

4.化学药剂添加：

在某些情况下，螺旋输送机也可以用于定量输送干粉状的化学药剂，如絮凝剂等，用于辅助污水处理过程中的混凝或絮凝反应。

其他应用：

垃圾填埋场：在一些垃圾填埋场或者废物处理设施中，螺旋输送机也被用来传输废物。

工业废水处理：对于某些特定行业的工业废水处理，螺旋输送机可能用于输送特定类型的固体废物或者化学品。

评价工艺的指标

污水处理单元的评价指标体系是通过多维度的指标来全面衡量污水处理厂或处理单元的运行效率、经济性、稳定性以及环保效益。这些指标不仅能帮助管理者评估现有系统的性能，还能为优化和改进污水处理过程提供参考。以下是对污水处理单元评价指标体系的详细分析：

1. 水质处理效果指标

这些指标直接反映污水处理系统对污染物的去除效果，是衡量污水处理性能的最基础指标。常见的水质处理效果指标包括：

化学需氧量（COD）去除率：COD去除率是衡量污水中有机污染物去除效果的关键指标。较高的COD去除率意味着处理工艺对有机物的降解效果好。
生化需氧量（BOD₅）去除率：BOD₅去除率用于评估有机物在污水中的生物降解效果，通常与COD相结合使用，以衡量污水处理系统的生物处理效率。
悬浮物（SS）去除率：SS去除率用于衡量污水中悬浮固体的去除情况，良好的去除率说明污水处理过程中固体物质的沉淀或过滤效果好。
氨氮（NH₄⁺-N）去除率：氨氮的去除反映污水处理厂的脱氮效果，是衡量生物硝化和反硝化过程的重要指标。较低的出水氨氮含量通常意味着系统脱氮效果好。
总氮（TN）去除率：反映污水处理系统对污水中氮的总体去除效果，包含氨氮、硝态氮、亚硝态氮等形式。脱氮过程是污水处理的核心部分之一。
总磷（TP）去除率：磷的去除主要通过化学沉淀和生物脱磷实现。控制总磷是防止水体富营养化的重要措施。
出水水质合格率：这是对处理出水是否符合国家或地方排放标准的直接评价指标，通常要求出水中各项污染物指标达标。

2. 工艺效率指标

工艺效率指标用于评估污水处理单元的整体运行效率和资源利用情况。通常包括以下几个方面：

污泥产率：污泥产率反映污水处理中产生污泥的量，通常用每处理1吨污水产生的污泥量来衡量。较低的污泥产率意味着处理系统能够有效降解有机物，产生较少的剩余污泥。
氧转移效率（OTE）：这是对曝气系统中氧气从气相向液相传递效率的衡量，直接关系到曝气系统的能效。较高的氧转移效率意味着同样的曝气量下可以传递更多氧气，从而提高处理效率。
曝气效率：曝气效率反映生物处理阶段的能耗效率，评估每单位污水处理过程中消耗的曝气量。该指标与节能降耗息息相关。
污水回流比：用于衡量污水和污泥回流量对整体处理系统的影响。回流比过高或过低都可能影响处理系统的稳定性和效率。

3. 能耗与资源消耗指标

这些指标衡量污水处理过程中的能耗和资源利用情况，是影响污水处理经济性的重要因素：

单位处理水量的能耗（kWh/m³）：这是衡量污水处理过程中的电力消耗量，通常用于评估处理系统的整体能效。能耗较低意味着系统运行更为节能高效。
单位处理水量的化学药剂消耗（kg/m³）：用于评估污水处理过程中化学药剂的使用情况，如除磷剂、消毒剂等。药剂消耗量的控制直接影响处理成本。
单位污泥处理成本：处理污泥的成本，包括脱水、运输、处置等环节的费用。这一指标对污泥产量较高的污水处理厂尤为重要。

4. 经济效益指标

经济效益指标用于衡量污水处理系统的经济产出，通常包括以下内容：

处理成本（元/m³）：单位污水处理成本，包括电力、药剂、人工和设备维护等费用。较低的处理成本意味着系统运行的经济效益更好。
污水回用率：部分污水处理系统的出水可作为再生水回用，如用于园林灌溉、市政清洁等。回用率越高，意味着系统的水资源利用率越高，经济效益也更明显。
污泥利用率：通过污泥的资源化处理（如制肥料、焚烧发电等）来提高污泥的利用率，减少处置成本，提升经济效益。

5. 系统稳定性与运行可靠性指标

这些指标衡量污水处理系统在长时间运行过程中的稳定性和可靠性，确保系统的连续正常运行：

设备故障率：反映污水处理厂中机械设备的可靠性，如泵、风机、曝气装置等的故障发生率。设备故障率越低，系统运行越稳定。
停机时间：污水处理厂在运行过程中由于维护、维修或故障导致的停机时间越少，处理系统的连续性越好。
维护成本：用于评估系统维护和检修的频率和成本。较低的维护成本和较长的设备寿命有助于降低系统的总体运行费用。

6. 环境影响与可持续发展指标

污水处理不仅需要达到处理效果和经济效益，还需要考虑对环境的影响。以下指标用于评估处理过程的环境友好性：

温室气体排放量（CO₂、CH₄、N₂O）：污水处理过程中会产生一定量的温室气体，特别是厌氧过程中的甲烷（CH₄）排放。通过优化工艺，减少温室气体排放是评价系统环保性能的重要指标。
噪声与气味控制：污水处理过程中的噪声和气味影响到周围环境，特别是曝气和污泥处理单元，需要有效控制并减少对周围环境的影响。
可再生资源的利用：如利用处理后的污水进行回用，污泥通过焚烧发电或制肥等资源化处理，减少对天然资源的依赖，提升可持续性。

7. 智能化与自动化水平指标

智能化和自动化水平也是现代污水处理系统的重要评价维度：

自动化控制水平：评估系统中PLC控制系统、SCADA系统的应用，自动化控制可以减少人工干预，提升处理效率和安全性。
在线监测覆盖率：用于衡量污水处理过程中的关键参数（如水质、水量、设备运行状态等）的在线监测覆盖情况，监测越全面，系统越容易发现问题并及时调整。
智能优化与预测能力：基于大数据和人工智能技术，系统能否对未来的水质变化、能耗需求进行预测，并实现动态优化控制。

文献阅读

题目

LSTM-Based Model-Predictive Control with Rationality Verification for Bioreactors in Wastewater Treatment

引言

随着中国城市化进程和人口增长的加剧，污水处理需求不断增加。目前，传统的活性污泥法用于处理80%以上的污水，但由于工艺中的监控与控制行为之间存在时间延迟，污水处理厂难以精确控制，导致过度曝气和不当投药，增加了能耗和处理成本。

MPC已经被证明可以在相同的进水条件下，通过精细化控制节省能耗。然而，现有的MPC模型主要关注出水水质和能耗的优化，忽略了生物反应器的稳定性，并且缺乏优化过程中的安全性验证，限制了其实用性。

LSTM-MPC模型

文章详细探讨了基于LSTM（长短期记忆网络）和模型预测控制（MPC）相结合的优化策略，用于污水处理厂（WWTP）中的生物反应器，特别是针对厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺的优化。

污水处理厂生物反应器流程图如下：
在这里插入图片描述

本文提出了一种基于LSTM的MPC模型，并结合了安全性验证方法。LSTM是一种深度学习神经网络，能够根据过去的数据预测系统的未来状态，非常适合处理污水处理厂复杂系统中的时间序列数据。

LSTM-MPC模型优化了曝气量、内循环流量（Qr）和污泥回流量（Qsr）等控制变量，目的是在节约能耗的同时保持生物反应器的稳定性。

-为了解决基于机器学习的模型在实际应用中的不确定性，作者提出了基于历史数据的合理性验证方法，以确保模型的输出是安全和可靠的。

数据集与预处理

研究使用了2019年至2021年间的污水处理厂数据，包括进水数据（流量、水质参数）、生物反应器数据（溶解氧、氨氮、硝酸盐等）和控制数据（曝气量、流量等）。
通过PauTa准则对数据进行了清理，并通过时间平均插值法补充了缺失值（时间跨度步长N = 500），以确保数据集的可靠性，用于训练LSTM模型。

使用下面的最小-最大归一化（等式（3），其中Ymax代表原始数据的最大值，Ymin是最小值）进一步处理原始数据，以将数据转换为范围[-1，1]，并减少数据值的差异幅度水平的影响。

方法论

LSTM模型被训练用于预测生物反应器未来的状态变量，输入变量包括状态变量、进水变量和控制变量。研究测试了四种不同结构的LSTM模型，通过调整隐藏层神经元的数量来优化预测性能。本研究以状态变量、影响变量及控制变量的时间序列数据集为输入，以下一时间步的状态变量为输出。模型的具体数学公式如下：

Xt为状态变量，包括：DO、MLSS、ORP、Oxic NO3;
rt为进水变量，包括：Qin、COD、TP、TN、NH 4 ±N、PH、SS;
at为控制变量，其中at 1为曝气量，at 2为内回流流速（Qr），at 3为污泥内循环流速（Qsr）;
Yt为输出状态变量，包含下一时间步长的DO、MLSS、ORP和Oxic NO3;
Δ t为预测时间步长;
θ是LSTM的参数。
基于LSTM模型构建了MPC框架，利用粒子群优化算法（PSO）来优化控制变量，使其在给定时间步内实现最佳控制。
LSTM-MPC模型的控制过程是递归的。在每一个时间步，控制策略都基于LSTM预测的结果进行优化，并在下一个时间步再次优化。通过这种方式，MPC能够动态调整控制策略，确保系统在变化的条件下保持优化状态。